雜散電感是指由電路中的導(dǎo)體如：連接導(dǎo)線、元件引線、元件本體等呈現(xiàn)出來的等效電感。

缺點(diǎn)

損耗增大，導(dǎo)致震蕩

學(xué)科

物理

概念

變流器雜散電感會(huì)使IGBT的集、射極之間產(chǎn)生較高的電壓尖峰，從而造成較大的電磁干擾，甚至導(dǎo)致絕緣柵雙極性晶體管（IGBT）損壞。若能測(cè)量變流器雜散電感，則可在一定程度上預(yù)估該電壓尖峰，并設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)木彌_電路。IGBT技術(shù)不能落后于應(yīng)用要求。因此，推出了最新一代的IGBT芯片以滿足具體應(yīng)用的需求。與逆變器設(shè)計(jì)應(yīng)用功率或各自額定電流水平相關(guān)的開關(guān)速度和軟度要求是推動(dòng)這些不同型號(hào)器件優(yōu)化的主要?jiǎng)恿?。這些型號(hào)包括具備快速開關(guān)特性的T4芯片、具備軟開關(guān)特性的P4芯片和開關(guān)速度介于T4和P4之間的E4芯片。

基于IGBT開關(guān)過程的變流器雜散電感分析方法

研究背景

在大功率變流器中，由于元器件和直流母排存在雜散參數(shù)，IGBT開通和關(guān)斷過程中會(huì)產(chǎn)生較大的電壓和電流尖峰，特別是IGBT關(guān)斷瞬間集射極間的電壓尖峰很大，增大了開關(guān)損耗，產(chǎn)生較強(qiáng)的電磁干擾，甚至引起電路諧振。大功率變流器中的雜散參數(shù)包括母線電容寄生電感、母排雜散電感和電阻、開關(guān)器件引線電感和連接螺栓雜散電感等，其中影響IGBT開關(guān)特性的主要是母排雜散電感。

為了降低母排雜散電感，大功率變流器中普遍采用疊層母排，以降低關(guān)斷電壓尖峰，減小緩沖電路的壓力。由于疊層母排結(jié)構(gòu)通常比較復(fù)雜，采用解析方法計(jì)算雜散參數(shù)的精度很低，因此通常采用數(shù)值計(jì)算法（如有限元法、部分單元等效電路法等）、建模仿真法（Ansoft Maxwell軟件、Ansoft Q3D Extractor 軟件等），但建模過程繁瑣復(fù)雜，仿真軟件價(jià)格昂貴；也可采用阻抗分析儀直接測(cè)量，但阻抗分析儀適合測(cè)量分立器件，對(duì)雜散參數(shù)測(cè)量精度較低。更實(shí)用的方法是采用間接測(cè)量法，利用測(cè)試電路獲取IGBT開通和關(guān)斷瞬態(tài)電壓過沖和對(duì)應(yīng)的電流變化率di(t)/dt，并根據(jù)電感伏安特性u(píng)(t)=Ldi(t)/dt 來計(jì)算母排雜散參數(shù)。由于IGBT開關(guān)過程中電流變化率不斷變化，為了降低具體選擇的開關(guān)時(shí)刻隨機(jī)性誤差，文獻(xiàn)將IGBT的開關(guān)過程分為多個(gè)階段，并選擇其中對(duì)雜散電感提取最有利的階段進(jìn)行計(jì)算。

研究提出了一種基于IGBT開關(guān)過程的變流器雜散電感間接測(cè)量方法，在直流母線端并聯(lián)吸收電容，采用雙脈沖測(cè)試方法測(cè)量IGBT的開通和關(guān)斷瞬態(tài)曲線。在考慮二極管反向恢復(fù)和吸收電容的情況下，詳細(xì)分析了IGBT關(guān)斷和開通瞬態(tài)曲線，將IGBT關(guān)斷過程等效為LC諧振電路，通過測(cè)量開關(guān)過程諧振參數(shù)來計(jì)算變流器的雜散參數(shù)；選擇IGBT開通過程中適合進(jìn)行雜散參數(shù)提取的有效時(shí)段，通過最小二乘法計(jì)算

，從而計(jì)算變流器雜散電感。最后，通過雙脈沖測(cè)試方法對(duì)西門康功率器件SKM400GAL176D的開關(guān)過程進(jìn)行測(cè)試，獲取其開通和關(guān)斷瞬態(tài)曲線來驗(yàn)證此方法。IGBT關(guān)斷瞬態(tài)過程分析

圖1 帶吸收電容的測(cè)試電路原理

以圖1所示的帶吸收電容的開關(guān)測(cè)試電路為例進(jìn)行分析。圖中，C為 直流母線電容，L為C的寄生電感；L為待測(cè)母排的雜散電感；D為二極管；V為IGBT；L為并聯(lián)于二極管兩端的電感負(fù)載；C為吸收電容，L為C的寄生電感。

圖2 IGBT關(guān)斷瞬態(tài)過程等效電路

考慮吸收電容C對(duì)開關(guān)管V端電壓的影響，對(duì)圖1中開關(guān)管V的關(guān)斷過程進(jìn)行分析。將圖1中直流電容寄生電感、疊層母排寄生電感及與母排連接電纜和螺栓的寄生電感統(tǒng)一等效為變流器雜散電感L；直流母線電容視為恒壓 源U；在V關(guān)斷過程中，負(fù)載電感L上的電流I可視為恒流源；在V關(guān)斷后，I線性下降。

V關(guān)斷瞬態(tài)過程的等效電路和瞬態(tài)電壓、電流波形分別如圖2和圖3所示，分析如下。

（1）t~t階段：IGBT處于開通狀態(tài)，其電壓u(t)等于額定壓降V。

（2）t~t階段：t時(shí)刻IGBT開始關(guān)斷，其內(nèi)部等效電阻增大，電壓u開始上升，在t時(shí)刻達(dá)到u(t)。t時(shí)刻二極管為截止?fàn)顟B(tài)，u逐漸下降，在t時(shí)刻降為0 V。二極管電流i(t)略增，IGBT電流i(t)略降；i(t)略降。在此階段中，L上di/dt基本無變化，不適用于提取雜散參數(shù)。

圖3（a）瞬態(tài)電流

（3）t~t階段：t時(shí)刻，電流i(t)迅速下降，到t時(shí)刻降低到拖尾電流I。二極管進(jìn)入正向恢復(fù)階段，i(t)迅速增加。由于吸收電容的雜散電感L遠(yuǎn)小于L，因此i(t)下 降的部分流入吸收電容，i(t)迅速增加。在此階段中，L上di/dt基本無變化，不適用于提取雜散參數(shù)。

（4）t~t階段：i逐漸升高，i緩慢降低至0。t時(shí)刻u降為0。此后i(t)與I相同。

圖3（b）瞬態(tài)電壓

（5）t~t階段：L、C、L、C形成2階諧振回路，諧振電流為i(t)、諧振電壓為u(t)。由于 C容值很大，其電壓基本保持恒定，在諧 振電路分析中可以將其視為短路。

從以上分析可見，在IGBT關(guān)斷瞬態(tài)中，可以通過t~t階段中u的諧振周期來計(jì)算。在此過程中，LC、L、C形成2階諧振回路，由于C電壓保持恒定，在諧振電路分析中可以將其視為短路。因此，可選取兩個(gè)不同容值的吸收電容分別進(jìn)行測(cè)量，則有

通過上式即可計(jì)算出變流器雜散電感L。

IGBT開通瞬態(tài)過程分析

圖4 IGBT開通瞬態(tài)過程等效電路

考慮吸收電容C對(duì)開關(guān)管V端電壓的影響，對(duì)圖1中開關(guān)管V的開通過程 進(jìn)行分析。在V開通瞬態(tài)過程中，負(fù)載電感 L上的電流I為恒流源；在V開通過程結(jié)束后，I線性上升。V開通瞬態(tài)過程等效電路及瞬態(tài)電流電壓波形如圖4和圖5所示。

（1）t~t階段：V處于關(guān)斷狀態(tài)，其電壓u(t)等于母線電壓U；直流母線電流i(t)為0，負(fù)載電流I通過二極管D續(xù)流。D端電壓為0（忽略二極管壓降），電流流向如圖4（a）所示。

（2）t~t階段：t1時(shí)刻開通，電流i(t)從0開始增長，到t時(shí)刻等于負(fù)載電流I。在此期間i(t)線性增加，i(t)逐漸減小，到t時(shí)刻，i(t)降為0。i(t)的電流一部分由吸收電容i(t)提供，另一部分由母線電流i(t)提供。在此階段，母線電流i(t)線性增長，di/dt值較大，L上感應(yīng)電壓u(t)，導(dǎo)致u(t)下降。因此，此階段適合用于提取雜散參數(shù)。

圖5 IGBT開通瞬態(tài)電流電壓波形

（3）t~t階段：t時(shí)刻二極管開始反向恢復(fù)，i反向增大，由于負(fù)載電流 I不會(huì)突變，因此i(t)迅速增大，且dic/dt增大。在t時(shí)dic/dt達(dá)到最大值，之后減小。t時(shí)刻二極管反向電流達(dá)到最大。由于吸收電容寄生電感L遠(yuǎn)小于變流器寄生電感L，因此在此過程中i(t)繼續(xù)線性上升，二極管反向恢復(fù)電流主要由i(t)提供。在此階段，udc(t)和 uce(t)電壓下降變緩，測(cè)量誤差較大，不適用于提取雜散參數(shù)。

（4）t~t階段：t時(shí)刻反向恢復(fù)電流開始減小，到t時(shí)刻關(guān)斷。此后i(t)與I相同。

（5）t~t階段：L、C、L、C形成2階諧振回路，諧振電流為i(t)、諧振電壓為u(t)。但諧振電流值i(t)很小，難以準(zhǔn)確測(cè)量。

雜散電感對(duì)晶閘管開關(guān)特性的影響

晶閘管自世紀(jì)年代產(chǎn)生已有年歷史，其耐壓、耐流能力與其它的電力電子器件相比均為最高，在大功率電力電子設(shè)備中占主導(dǎo)地位晶閘管的開關(guān)過程是由器件自身半導(dǎo)體特性、溫度、器件的緩沖吸收電路以及相關(guān)電路雜散參數(shù)共同作用下的復(fù)雜動(dòng)態(tài)過程，后兩者是變換器設(shè)計(jì)時(shí)重點(diǎn)考慮和研究的問題由于大容量電力電子變換器對(duì)絕緣、耐壓和散熱的要求高，使得電路尺寸變大、雜散電感大，對(duì)器件開關(guān)特性的影響加重基于晶閘管的半橋逆變電路，對(duì)雜散電感所引起的環(huán)流、電壓尖峰、電流尖峰問題進(jìn)行了詳細(xì)的分析并給出了相應(yīng)的抑制措施。

半橋逆變電路工作模式

圖6 半橋逆變主電路

半橋逆變電路如圖6所示，C、C為諧振電容，T、T為逆變晶閘 管，D、D為續(xù)流二極管，L為感應(yīng)線圈。其工作過程如下，T開通，C通過T、L放電，L上的電流成正弦規(guī)律變化，當(dāng)L的電流到0，C上的電壓反向充到最大，電感L上的電流開始反向流過續(xù)流二極管D，T承受反壓關(guān)斷；T關(guān)斷后，觸發(fā)T，C通過L、T放電形成振蕩，D續(xù)流，T關(guān)斷。完成一個(gè)周期的循環(huán)。逆變器的工作頻率通過改變續(xù)流二極管的導(dǎo)通時(shí)間來進(jìn)行控制。必須保證續(xù)流二極管的續(xù)流時(shí)間大于逆變晶閘管的關(guān)斷時(shí)間，即晶閘管完全關(guān)斷以后，才能觸發(fā)另一組晶閘管使之工作，否則將導(dǎo)致逆變顛硬。環(huán)流問題

圖7 環(huán)流問題示意圖

設(shè)備運(yùn)行中，在續(xù)流時(shí)間遠(yuǎn)大于逆變晶閘管關(guān)斷時(shí)間時(shí)，卻發(fā)生了異常 的逆變頗被現(xiàn)象。用示波器同時(shí)監(jiān)測(cè)逆變晶閘管電流信號(hào)和與之反并聯(lián)的續(xù)流二極管電流信號(hào)時(shí)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)逆變晶閘管電流還未過零時(shí)，與之反并聯(lián)的續(xù)流二極管上就有電流信號(hào)。續(xù)流二極管D上的電流波形實(shí)際上是小環(huán)流和續(xù)流電流兩部分疊加的結(jié)果。雖然續(xù)流電流給逆變橋臂加上了反壓，但由于小環(huán)流的作用，逆變橋臂電感的感生電壓使晶閘管T承受正向電壓，流過晶閘管T的正向電流會(huì)在比較長的時(shí)間里大于關(guān)斷電流（一般約為40 mA），使T仍然處于導(dǎo)通狀態(tài)。需要續(xù)流電流增大到一定程度，續(xù)流二極管支路分布電感L產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)抵消小環(huán)流在逆變橋臂電感L上產(chǎn)生的正向感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，晶閘管才開始關(guān)斷，這樣另一組逆變橋臂的晶閘管就遲遲不能導(dǎo)通。在C放電時(shí)也存在上述情況。電壓尖峰及電流尖峰問題

在設(shè)備的運(yùn)行過程中，當(dāng)晶閘管T導(dǎo)通時(shí)，流過T的電流有一個(gè)大的電流毛刺。幾乎同時(shí)，在已關(guān)斷的晶閘管T上產(chǎn)生一個(gè)很大的電壓毛刺。電壓毛刺電流毛刺的存在會(huì)增大器件的開關(guān)損耗，甚或?qū)е履孀冾嵏玻瑢?dǎo)致器件損壞。其產(chǎn)生原因分析如下：如圖8所示，當(dāng)T導(dǎo)通時(shí)，D正在續(xù)流，由于D存在反向恢復(fù)過程，不能馬上截止，所以電源E直接加在D、T上，將產(chǎn)生很大的電流。故在T導(dǎo)通的瞬間，流過T的電流有一個(gè)大的電流毛刺。隨后D反向恢復(fù)過程截止，流過D、T的大電流突然消失，在雜散電感L、L、L上產(chǎn)生高壓，加在T和D上。D續(xù)流，T導(dǎo)通時(shí)，也會(huì)有同樣的問題。

圖8 T2導(dǎo)通時(shí)的示意圖

為了消除電壓毛刺和電流毛刺，必須限制二極管的恢復(fù)電流。這個(gè)問 題同樣可以通過逆變晶閘管與續(xù)流二極管之間串聯(lián)大電感L來解決。晶閘管T開通之前，續(xù)流電流流過大電感L，當(dāng)開關(guān)T導(dǎo)通時(shí)，在D、L、T中出現(xiàn)二極管恢復(fù)電流，由于電感內(nèi)電流不能突變，大電感L限制晶閘管T的電流上升率，使之從零開始較慢上升。消除了T開通時(shí)的電流毛刺。由于流過二極管D的電流緩慢變化，二極管恢復(fù)阻斷時(shí)，電流很小，在雜散電感上產(chǎn)生的感生電壓也就很小，消除了T上的電壓毛刺。經(jīng)實(shí)驗(yàn)證實(shí)，加電感L很好的解決了這個(gè)問題。